Una cremallera y piñón es un tipo de actuador lineal que comprende un engranaje circular (el piñón ) que engrana un engranaje lineal (la cremallera ). Juntos, convierten entre movimiento rotacional y movimiento lineal. Al girar el piñón, la cremallera se mueve en línea. Por el contrario, mover la cremallera linealmente hará que el piñón gire. Una transmisión de piñón y cremallera puede utilizar engranajes rectos y helicoidales. Aunque algunos sugieren que los engranajes helicoidales funcionan más silenciosamente, no hay evidencia sólida que respalde esta teoría. Se ha demostrado que las cremalleras helicoidales, si bien son más asequibles, aumentan el par lateral en los puntos de referencia, lo que aumenta la temperatura de funcionamiento y provoca un desgaste prematuro. Las cremalleras rectas requieren una menor fuerza motriz y ofrecen mayor par y velocidad por fracción de la relación de transmisión, lo que permite una temperatura de funcionamiento más baja y reduce la fricción viscal y el uso de energía. La fuerza máxima que se puede transmitir en un mecanismo de piñón y cremallera está determinada por el par sobre el piñón y su tamaño o, por el contrario, por la fuerza sobre la cremallera y el tamaño del piñón.
Por ejemplo, en un ferrocarril de cremallera , la rotación de un piñón montado en una locomotora o un vagón de ferrocarril engancha una cremallera , generalmente colocada entre los rieles, y ayuda a mover el tren por una pendiente pronunciada .
Para cada par de perfiles de evolutas conjugadas, existe una rejilla básica. Esta cremallera básica es el perfil del engranaje conjugado de radio de paso infinito (es decir, una regla dentada). [1]
Una cremallera generadora es un contorno de cremallera que se utiliza para indicar los detalles y las dimensiones de los dientes para el diseño de una herramienta generadora, como una fresadora o una cortadora de engranajes. [1]
Las combinaciones de cremallera y piñón se utilizan a menudo como parte de un actuador lineal simple , donde la rotación de un eje impulsado manualmente o por un motor se convierte en movimiento lineal.
La cremallera soporta directamente toda la carga del actuador, por lo que el piñón impulsor suele ser pequeño, de modo que la relación de transmisión reduce el par requerido. Esta fuerza, por lo tanto el par, aún puede ser sustancial y, por lo tanto, es común que haya un engranaje reductor inmediatamente antes, ya sea mediante una reducción de engranaje o de tornillo sin fin . Los engranajes de cremallera tienen una relación más alta, por lo que requieren un par de accionamiento mayor que los actuadores de tornillo.
La mayoría de los salvaescaleras actuales funcionan mediante el sistema de piñón y cremallera. [ cita necesaria ]
Un piñón y cremallera se encuentra comúnmente en el mecanismo de dirección de automóviles u otros vehículos con ruedas y dirección. El piñón y cremallera proporciona menos ventaja mecánica que otros mecanismos como la recirculación de bolas , pero menos juego y mayor retroalimentación o "sensación" de dirección. El mecanismo puede ser asistido eléctricamente , normalmente por medios hidráulicos o eléctricos.
El uso de una cremallera variable (todavía usando un piñón normal) fue inventado por Arthur Ernest Bishop [2] en la década de 1970, para mejorar la respuesta del vehículo y la "sensación" de la dirección, especialmente a altas velocidades. También creó un proceso de forjado en prensa de bajo costo para fabricar las cremalleras, eliminando la necesidad de mecanizar los dientes de los engranajes.
Los cremalleras son ferrocarriles de montaña que utilizan una cremallera incorporada en el centro de la vía y un piñón en sus locomotoras. Esto les permite trabajar en pendientes pronunciadas , de hasta 45 grados, a diferencia de los ferrocarriles convencionales que dependen únicamente de la fricción para su locomoción. Además, la adición de piñón y cremallera proporciona a estos trenes frenos controlados y reduce los efectos de la nieve o el hielo en los rieles.
En los actuadores se utiliza un piñón y cremallera con dos cremalleras y un piñón . Un ejemplo son los actuadores neumáticos de piñón y cremallera que se pueden utilizar para controlar válvulas en el transporte por tuberías . Los actuadores de la imagen de la derecha se utilizan para controlar las válvulas de tuberías de agua grandes. En el actuador superior, se puede ver una línea de señal de control gris que se conecta a una válvula solenoide (la pequeña caja negra unida a la parte posterior del actuador superior), que se utiliza como piloto para el actuador. La válvula solenoide controla la presión del aire proveniente de la línea de aire de entrada (el pequeño tubo verde). El aire de salida de la válvula solenoide se alimenta a la cámara en el medio del actuador, aumentando la presión. La presión en la cámara del actuador empuja los pistones. Mientras los pistones se separan entre sí, las cremalleras adjuntas también se mueven a lo largo de los pistones en direcciones opuestas a las dos cremalleras. Las dos cremalleras están engranadas a un piñón en los dientes directamente opuestos del piñón. Cuando las dos cremalleras se mueven, el piñón gira, lo que hace que gire la válvula principal adjunta de la tubería de agua. [3] [4]
Un engranaje de cremallera que es curvo se llama cremallera arqueada. [5]
El mecanismo de piñón y cremallera fue desarrollado por primera vez en China por el diseñador de armas de fuego Zhao Shizhen. En su libro de 1598 d.C., el Shen Qi Pu (神器譜), el arcabuz de Xuanyuan (軒轅銃) presentaba un mecanismo de disparo que utilizaba un sistema de cremallera y piñón inspirado en los diseños de mechas turcas que presentaban un novedoso mecanismo de disparo pivotante. El arcabuz de Xuanyuan fue diseñado en respuesta a los problemas de falta de confiabilidad de las armas de fuego contemporáneas que surgen de las condiciones de lluvia y viento y ofrecía un disparador que operaba simultáneamente tanto el flash pan como la serpentina. El Wu Pei Chih (1621) describió más tarde los mosquetes turcos otomanos que utilizaban un mecanismo de cremallera y piñón. [6] [7]
